地鐵車站與地下市政快速路合建結構受力特征數值模擬分析

王文濤

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

1 引言

城市地下快速路為快速增長的機動車流開辟了一條全新的通暢便捷之路，對改變城市交通狀況將會起到重大作用。 由于城市地下快速路系統建在城市地下，其運行是封閉式的，不受城市地面人、車和道路干擾和氣候條件的影響，因而車輛可快速、暢通、安全地行駛。 與地面道路相比，它節省了城市建設用地。 城市地下快速路除了出口外，全部在地下，用地極少，這對于我國大城市人均道路面積的指標普遍偏低的情況極為有利。 另外，地下快速路還可解決高架路的噪聲問題，同時，它可把廢氣集中處理或高空排放，凈化了城市的空氣。 地下快速路也保護了城市內的自然景觀和人文景觀。 如能實現地下快速路的建設， 必將在保護城市原貌、 充分利用土地資源的基礎上，極大地緩解市區道路交通的壓力。

城市快速路是一個城市的道路交通骨干線， 是支撐城市發展的骨架，所以，城市快速路的線路路由也是城市地鐵線路的首選。 當地鐵線路和城市地下快速路線路重合時，在明挖法施工允許的條件下，兩結構合建共基坑是完美解決方案[1-3]。 楊友彬[4]基于某地鐵車站與高架橋合建的實例，對地震荷載作用下結構的動力響應進行研究，發現地震動力作用持續狀態下，地鐵車站結構內部相對位移較小， 表層土水平位移峰值約為地鐵車站結構水平位移的2 倍。 張勇[5]以廣州地鐵7 號線西延順德段錦龍站為例，重點對站內建筑功能、合建結構布置與細節問題、交通疏解方案以及工程防水進行詳細介紹。 李良[6]以具體工程為例， 對市政下穿通道與地鐵車站合建設計過程中的設計思路、設計方案以及設計要點做分析。 本文以青島的湘江路站合建工程為例， 該車站為雙島四線車站與雙向六車道地下快速路合建工程， 通過建立三維荷載結構模型進行靜力分析，找到合建結構與普通地鐵結構受力不同點提供參考。

2 工程概況

湘江路站位于湘江路與交大大道交叉口， 沿交大大道下方南北向布置。 西南側為榮盛錦繡外灘小區，西北側為規劃榮盛商業地塊，東北側為規劃榮盛商業地塊，東南側為榮盛花語海岸小區。車站主體上方設置市政交大大道地道。湘江路站為規劃16 號線與12 號線的換乘車站， 設置為雙島四線平行換乘形式， 采用明挖法施工。 車站有效站臺中心里程為YK30+592.5，站臺寬14 m+14 m，車站長258 m。 車站主體標準段結構總高18.4 m， 寬度44.2 m。 交大大道地下快速路結構總高8.5 m，寬度29.2 m。 合建結構總高26.9 m，頂板覆土約1.1 m。

合建結構側墻主要位于粉質黏土層、砂土層中。 場區地下水主要類型為第四系孔隙潛水、承壓水和基巖裂隙水。 場區現狀地面標高約2.29～4.92 m，根據場區的水文地質條件結合周邊工程經驗，綜合考慮暴雨等因素的影響，本車站使用期及施工期的抗浮設防水位可按規劃室外坪絕對標高（4.0 m）考慮。

3 數值模型建立

土層物理力學參數見表1。 該合建結構較為復雜， 通過MIDAS GEN 建立三維荷載結構模型，分析在基本組合工況下以及準永久組合工況下的結構內力。 模型建立結果如圖1 所示。 在施加荷載后進行荷載組合，輸出內力后進行結構構件承載能力極限狀態計算及正常使用極限狀態計算， 上述流程均為結構計算常規做法，在此不再贅述。

圖1 湘江路站與快速路合建結構三維荷載結構模型

表1 土層物理力學參數表

4 合建結構柱端受彎分析

一般的雙柱三跨普通地鐵車站， 由于縱梁劃分的板帶寬度并不完全均等，且側墻支座剛度明顯高于梁支座剛度，這會導致主體結構柱端沿車站橫向受彎，但是柱端彎矩一般不大。對比本文中的地鐵車站與地下快速路合建結構， 則出現了明顯的柱端彎矩增長， 具體體現在快速路封閉標準段底板柱端彎矩加大，快速路敞開標準段頂板、底板柱端彎矩加大，結構變形如圖2 所示。

圖2 車站與地下快速路合建結構變形圖

結合普通車站對比分析， 出現柱端彎矩增大的因素可能有兩個方面。 一是合建結構頂板荷載分布不均，車站頂板的兩側有9.5 m 覆土，而合建部分頂板荷載只有30 kPa 車道超載，荷載分布不均是可能導致柱端彎矩加大的原因。 二是荷載分布不均后導致車站整體變形不協調，兩側荷載大變形也大，中間荷載小變形也小，再加上中間部位水浮力作用，底板變形不協調，這可能就是底板柱端彎矩增大的原因。

為了證明原因， 單獨調整模型荷載布置及底板彈簧剛度建立兩個對照組。 對照組一：將車站頂板荷載統一為車站兩側荷載，整個車站頂板荷載變為均布荷載，其他條件均不變。 對照組二：將車站底板彈簧剛度提高一個數量級，增大地基彈簧剛度，其他條件均不變。 計算結果如圖3 所示。

圖3 車站與地下快速路合建結構柱沿車站橫向彎矩圖

將原模型對比對照組一， 可以發現底板位置的柱端彎矩明顯下降，由1 000 kN·m 左右下降至500 kN·m 左右。分析其底板柱端彎矩變小的原因， 是頂板均布受力與底板水反力達到了一定平衡，底板變形趨于整體協調變形，底板梁兩側板帶變形趨于對稱，柱端彎矩減小。

將原模型對比對照組二， 可以發現底板位置的柱端彎矩明顯下降，由1 000 kN·m 左右下降至400 kN·m 左右，可以得出增加地基彈簧剛度可以減少底板不協調變形， 從而降低底板柱端受彎。 兩個對照組頂板柱端彎矩開敞段變化較小，可以得出上部地下快速路懸臂側墻的彎矩傳遞起控制作用， 調整地基剛度及頂板均布受力影響小。

柱子是軸向受力構件，除地震工況外，要避免彎矩傳遞至柱體。 上述對照組一、對照組二應用于實際工程中，可以有以下考慮。 對于對照組一，是通過平衡頂板上部荷載降低柱端彎矩，可以將兩側回填土區域進行地下空間開發，將其作為地下商業街或地下停車場，基坑的造價并沒有增加，稍微增加內部結構造價，既改善了受力又增加了地下空間利用率。 對于對照組二，可以考慮在荷載較大的兩側底板下方打設減沉樁，當抗浮工況控制時， 可以考慮在中部荷載較小區域底板下方打設抗拔樁。 這樣可以控制變形不協調，從而降低柱端彎矩。

對于合建地下快速路的懸臂墻敞口段， 懸臂結構彎矩傳遞大，可以考慮該位置做結構脫離，設置地下快速路自己的底板形成U 形槽結構，或設置扶壁式擋土墻結構，擋土墻直接坐落在車站頂板上。

5 結論

湘江路地鐵與快速路共板合建項目，合建結構寬度46.65 m，高度26.5 m，覆土1.8 m。 對湘江路站建立三維荷載結構模型進行靜力分析， 通過計算分析找出合建結構與一般地鐵結構不同受力特點。 計算分析得出：

1）本文研究的地鐵車站與地下快速路合建結構已經實施完畢，均能滿足各工況下的正常使用極限狀態、承載能力極限狀態要求，合建方案可行，可供今后的合建設計參考；

2）合理選擇合建結構受力轉換，需要結合空間利用、功能要求、工程造價等因素綜合確定轉換形式，結構計算方面應重點核實轉換位置的抗剪、抗沖切承載能力，必要時建立三維模型分析結構受力；

3）重點計算合建結構主體結構柱受彎。 對于底板柱端彎矩過大情況， 可采取增設減沉樁或抗拔樁改善底板變形不協調，或增加地下空間開發，避免頂板荷載不均；對于沒有條件設置減沉樁、抗拔樁，沒有條件進行結構脫離，也不能增加地下空間開發時，只能通過加大梁柱截面，計算滿足要求并預留一定的富余量來解決。